La desaceleración de las mejoras en la productividad y el aumento de los costos del silicio hacen que los líderes empresariales evalúen otros materiales.

El camino desde el descubrimiento revolucionario a las aplicaciones de la industria transformadora puede ser largo y tortuoso. A menudo, la primera oleada de posibilidades es seguida por décadas de desarrollo, refinamiento y experimentación. Incluso entonces, no hay garantías. Los laboratorios de todo el mundo están repletos de tecnologías que alguna vez fueron prometedoras y que nunca encontraron un uso comercial en el mercado. Este precedente pone a los ejecutivos en una posición difícil a la hora de determinar dónde y cuándo invertir en innovaciones emergentes. Por cada empresa que hace la apuesta correcta en las tecnologías digitales emergentes, hay docenas de competidores que se pierden por completo la ola y deben ponerse al día. El tiempo dirá si la reciente entrada de Kodak en la minería de Bitcoin, por ejemplo, es un movimiento aislado o parte de una estrategia profética a largo plazo.

Las empresas de semiconductores se encuentran en una posición delicada. La innovación regular con el silicio permitió a la industria generar ganancias constantes y mejoras de rendimiento consistentes e impresionantes durante décadas. Más recientemente, las empresas están experimentando mayores dificultades para obtener más valor del silicio. Esta desaceleración ha dejado a las empresas para determinar qué reemplazará al silicio y cuándo. El grafeno, por ejemplo, ha sido anunciado como un material milagroso con el potencial de igualar o superar el rendimiento del silicio. Sin embargo, la comercialización del material podría demorar hasta 25 años y requerirá una inversión sustancial tanto en I+D como en costos de capital para ponerlo en producción. Con tanto gasto asignado actualmente al silicio, los ejecutivos deben determinar el momento adecuado para cambiar de marcha hacia el siguiente material, incluso cuando el resultado está lejos de estar garantizado.

El desafío se extiende mucho más allá del grafeno; A medida que las empresas de semiconductores buscan identificar y aprovechar la próxima ola de innovación, los ejecutivos deben adoptar un enfoque diferente. La capacidad de comprender cómo los desarrollos aparentemente dispares pueden crear nuevos modelos comerciales y aplicaciones requiere una perspectiva más amplia centrada en conectar los puntos y explorar nuevas formas de aplicar el conocimiento y las perspectivas. Los ejecutivos de semiconductores deben usar esta lente para dar forma a una estrategia a largo plazo para extraer valor de los materiales y tecnologías existentes mientras monitorean las innovaciones nacientes. Esta mentalidad posicionará mejor a las empresas para sobrevivir a los desafíos conocidos y desconocidos en los próximos años.

Silicio: ¿Vientos en contra por delante?

El silicio, el material principal utilizado en la industria de los semiconductores, ha seguido históricamente el ritmo de la ley de Moore al proporcionar un progreso antes inimaginable. Las tecnologías disruptivas y transformadoras (análisis avanzado, realidad aumentada, vehículos autónomos, digital e Internet de las cosas (IoT)) han sido posibles gracias a un elemento singular que es el homónimo de las 50 millas cuadradas más ricas del mundo. Aún así, se plantean serias dudas sobre el futuro del silicio y su capacidad para continuar apoyando la innovación: tres indicadores principales cuentan la historia.

La ralentización de las mejoras de rendimiento genera presiones sobre los precios

Silicon ofreció a los diseñadores e ingenieros un lienzo que dio lugar a avances sostenidos en capacidad y rendimiento. Una mirada a los datos de la década de 1970 ilustra estas mejoras de rendimiento exponenciales. Sin embargo, en los últimos años el ritmo se ha ralentizado considerablemente. La potencia de procesamiento de las PC se ha estabilizado y los aumentos en el rendimiento de los procesadores de los teléfonos inteligentes han comenzado a disminuir; en resumen, el silicio se está volviendo mortal (Gráfico 1). Estas tendencias significan que las empresas que construyeron ventajas competitivas sobre la base de la innovación continua han visto cómo su liderazgo comienza a erosionarse a medida que otras empresas se ponen al día.

 

Los creadores de tendencias luchan por ampliar la ventaja de mejora del rendimiento sobre los competidores, por lo que se ve obstaculizada su capacidad para capturar precios superiores antes de que el resto del mercado se ponga al día. Nuestro análisis indica que una vez que varios competidores ingresan al mercado, los precios caen entre un 10 y un 15 por ciento.

Aumento de los costes de capital e I+D

Los costos para las empresas de semiconductores continúan aumentando a medida que avanzan hacia las fábricas de próxima generación. Para lograr mejoras en el rendimiento, estimamos que las empresas deben aumentar el gasto de capital hasta en un 40 % (dados los requisitos para equipos nuevos) y el gasto en I+D en un 150 % para lograr el mismo rendimiento (Gráfico 2). La causa principal del aumento de los costos de capital es el equipo de fabricación, que ha aumentado en alrededor de $2 mil millones desde que la industria hizo la transición a los patrones múltiples. No es sorprendente que los fabricantes de dispositivos integrados hayan aumentado rápidamente sus inversiones en I+D para la tecnología de nodos líder.

 
Los crecientes requisitos de capital y la inversión en I+D pueden inhibir una mayor innovación

Los crecientes requisitos de capital y la inversión en I+D pueden inhibir una mayor innovación

Sintiendo las limitaciones físicas del silicio

Aparte de los desafíos comerciales, el crecimiento continuo del silicio también es incierto porque la innovación se ha puesto al día con las limitaciones físicas del material. Por ejemplo, la longitud del nodo se acerca al ancho del canal conductor donde el rendimiento se ve gravemente inhibido: los transistores de silicio dejarán de funcionar debido a los efectos cuánticos de pequeñas dimensiones, como túneles, fugas y problemas de calor. Las limitaciones en litografía, instrumentación y fabricación de estructuras nanométricas también obstaculizarán los avances.

Estas tres tendencias plantean una pregunta crítica para las empresas de semiconductores: ¿cuánto deberían seguir invirtiendo en silicio en lugar de apoyar el desarrollo de materiales innovadores que podrían producir un cambio radical en el rendimiento y sostener el crecimiento de los ingresos?

¿Por qué el grafeno podría cambiar las reglas del juego?

La industria está experimentando con varios materiales nuevos exóticos, incluidos el siliceno, el germaneno y el fósforo negro, pero se dice que el grafeno tiene el mayor potencial (Anexo 3).

 
Los nuevos materiales tienen el mayor potencial para impulsar la tecnología de próxima generación que podría ayudar a mantener la innovación.

Los nuevos materiales tienen el mayor potencial para impulsar la tecnología de próxima generación que podría ayudar a mantener la innovación.

El descubrimiento de una capa de grafeno del espesor de un átomo por parte de dos investigadores de la Universidad de Manchester en Inglaterra en 2004, avivó las expectativas de que podría convertirse en un reemplazo superior para el silicio (infografía). Las propiedades del grafeno tienen a las empresas de todas las industrias salivando: se estima que su movilidad es 250 veces mayor que la del silicio y su flexibilidad y otras propiedades lo hacen ideal para una variedad de aplicaciones, desde la tecnología de baterías hasta la optoelectrónica, como las pantallas táctiles. Patentes recientes, artículos académicos y publicaciones de investigación dan testimonio del interés generalizado en el grafeno.

 
Grafeno en números

Grafeno en números

A pesar de esta promesa, la adopción del grafeno ha sido difícil de alcanzar. Entonces, ¿qué lo está frenando? Hemos identificado cuatro limitaciones, dos técnicas y dos industriales. En el aspecto técnico, la ingeniería de banda prohibida sigue siendo un obstáculo importante: sin banda prohibida, los interruptores de grafeno no se pueden apagar. Durante la última década, los investigadores se han centrado en abordar este problema, pero aún tienen que descifrar el código. Además, la fabricación de grafeno debe generar cristales de calidad y ser compatible con los dispositivos semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) existentes. En el aspecto industrial, se requiere una gran cantidad de capital en las fábricas, pero las empresas de semiconductores tienen la mayoría de sus recursos vinculados a los planes actuales de mejora de las fábricas. Además, existe una cadena de valor integrada (que incluye el reacondicionamiento intermedio de fabricación) para el silicio, pero se necesitan miles de millones en inversiones para recrear una para el grafeno.

Dadas estas incertidumbres, predecimos que la adopción del grafeno y el crecimiento del mercado vendrán en tres fases: potenciador, reemplazo de silicio y electrónica revolucionaria (Anexo 4).

 
Esperamos que la adopción del grafeno y el crecimiento del mercado se produzcan en tres fases

Esperamos que la adopción del grafeno y el crecimiento del mercado se produzcan en tres fases

A corto plazo, esperamos que el grafeno se utilice como potenciador del silicio, con capas protectoras de grafeno utilizadas para mejorar la confiabilidad y el rendimiento de las interconexiones. Actualmente, se utilizan barreras metálicas de nitruro de tantalio de 14 nanómetros en las interconexiones de cobre para evitar la difusión en el silicio. En brechas de menos de diez nanómetros, la difusión se convierte en una de las principales causas de falla del dispositivo: un defecto por parte de billón da como resultado una tasa de falla de alrededor del 30 por ciento. Las barreras de grafeno ofrecen varias ventajas sobre otras alternativas como el rutenio y el cobalto, incluidas mejores capacidades de protección con solo una octava parte del tamaño y con velocidades de interconexión alrededor de un 30 por ciento más rápidas.

Las razones principales de la falta de adopción del grafeno son dos. Los requisitos para el proceso de transferencia y recubrimiento de grafeno deben desarrollarse e integrarse completamente en los pasos de fabricación. Además, el costo del grafeno debe disminuir significativamente para permitir la producción comercial en masa. Predecimos que llevará al menos de cinco a diez años resolver estos problemas para que el grafeno se convierta en una alternativa viable al silicio.

Durante los próximos 10 a 25 años, el grafeno podría reemplazar al silicio como material principal en los semiconductores, suponiendo que la investigación descubra métodos para superar sus limitaciones de banda prohibida. Incluso entonces, el grafeno se usará en aplicaciones donde sus méritos técnicos (como alta velocidad, requisitos de baja pérdida, pequeña escala y flexibilidad) son más adecuados para aplicaciones electrónicas que los materiales alternativos (Anexo 5). Nuestro análisis calcula el mercado total direccionable para el grafeno en $ 190 mil millones en procesamiento de datos, comunicaciones inalámbricas y electrónica de consumo.

El mercado útil total para la electrónica basada en grafeno se calcula en ~ $ 190 mil millones en función de la demanda de aplicaciones de alto rendimiento

El mercado útil total para la electrónica basada en grafeno se calcula en ~ $ 190 mil millones en función de la demanda de aplicaciones de alto rendimiento

Se espera que la adopción siga una tendencia de curva S similar a la de otras tecnologías, con un marco de tiempo para la implementación que imita más de cerca la adopción de obleas. En general, los escenarios optimistas muestran que el potencial de valor de mercado de los semiconductores de grafeno rondará los 70 millones de dólares para 2030.

¿Cómo deberían proceder los principales actores de semiconductores?

La historia ha revelado que algunas tecnologías tardan mucho en comercializarse, pero pueden transformar rápidamente las industrias una vez que llegan al mercado. Según nuestra experiencia, las empresas con un historial de lanzar una red amplia para descubrir la próxima tecnología transformadora tienden a estar más preparadas para resistir las disrupciones de la industria.

La promesa del grafeno se ve contrarrestada por los graves desafíos técnicos y comerciales discutidos, que podrían impedir su uso como reemplazo del silicio. Por lo tanto, al evaluar el verdadero potencial del grafeno, los ejecutivos de semiconductores deben utilizar un enfoque de innovación estructurada para evaluar sus opciones. La radiografía de innovación consta de diez preguntas en tres categorías: estrategia de innovación, disrupción tecnológica y prácticas de innovación (Anexo 6). Abordar estas preguntas puede ayudar a los líderes empresariales a tener una mejor idea de las capacidades de su organización al buscar la innovación y respaldar la exploración de diferentes escenarios con o sin la adopción del grafeno. El resultado es una estrategia que prepara a las organizaciones para un cambio radical en la industria impulsado por la tecnología.

Innovation X-ray consta de diez preguntas para potenciar su enfoque estructurado

Innovation X-ray consta de diez preguntas para potenciar su enfoque estructurado


Después de una larga y productiva experiencia con el silicio, los ejecutivos están comenzando a contemplar qué podría reemplazarlo y proporcionar una curva en S de innovación similar. Las características del grafeno han avivado la imaginación, pero hasta la fecha sus limitaciones físicas han impedido que sea nombrado heredero del silicio. La historia reciente de la innovación tecnológica sugiere que el panorama podría cambiar rápidamente; por lo tanto, los ejecutivos deberían considerar el grafeno como un competidor serio. Independientemente del resultado final, las empresas de semiconductores pueden posicionarse para capear la disrupción tecnológica y salir adelante adoptando una mentalidad centrada en la innovación estructurada. Un mundo de muchas incógnitas lo exige.

Fuente: Grafeno: ¿La próxima curva S para semiconductores? | McKinsey

Traducir »